Понятия проводника и диэлектрика получили широкое распространение с появлением электричества. Их суть заключается в различном поведении в электрических полях и в отношении переноса заряда. Если не рассматривать идеальные ситуации, грань между проводником и диэлектриком несколько размыта. При определенных условиях проводящее вещество может проявлять свойства диэлектрика и наоборот.
проводники и изоляторы
Проводники
Проводник состоит из вещества, оказывающего минимальное сопротивление потоку электричества. Например, электрический ток, передаваемый по проводу, представляет собой движение заряженных частиц под действием электрического поля, поэтому проводимость обеспечивается наличием достаточного количества заряженных частиц. Операторами могут быть:
Если принять верхний предел удельного сопротивления проводников 10-5 Ом·м, то к таким проводникам относятся металлы, растворы солей и ионизированные газы (плазма).
Плазменный разряд в тиратроне
Большинство металлов являются хорошими проводниками. Лучший проводник – серебро.
Проводники электрического тока, в которых переносчиками являются электроны и в основном твердые вещества, в том числе металлы, относятся к проводникам I рода. Вещества, проводимость которых обеспечивается ионами (растворы, плазма), относят к проводникам II рода.
Элементы с разной структурой, например углерод, проявляют двойственные свойства. Поэтому в виде графита или угля он является хорошим проводником, а алмаз — почти идеальным изолятором.
Электропроводность большинства веществ сильно зависит от посторонних примесей. Самый простой пример – вода. В зависимости от степени очистки удельное сопротивление воды может меняться в десятки и сотни раз. Проводимость воды обусловлена наличием ионов при электролитической диссоциации растворенных примесей. Очищенная вода (дистиллированная вода) обладает диэлектрическими свойствами.
При установке заземлителей следует учитывать способность воды изменять сопротивление в различных условиях, так как токопроводящие свойства почвы во многом зависят от наличия в ней влаги и солей. Заземлитель выполняет свою функцию при обычной погоде и практически полностью теряет свою функцию в периоды засухи или полного промерзания грунта в заземляющем сооружении. Напротив, те устройства, которые заземлены при неблагоприятных условиях, таких как засуха или мороз, во много раз безопаснее, чем при обычной погоде.
Диэлектрики
В отличие от проводников диэлектрики не проводят электрический ток, то есть являются изоляторами. Материал обычно классифицируется как диэлектрик, если его удельное сопротивление составляет 108 Ом·м или выше.
Диэлектрики обладают большим количеством параметров, которые имеют разную степень важности в зависимости от применения. До развития электроники в качестве изоляционных материалов преимущественно использовались диэлектрики. В этой области основными параметрами диэлектриков являются удельное сопротивление, напряжение пробоя (электрическая прочность).
Остальные параметры связаны с физическими и химическими свойствами:
Читайте также статью: продвижение сайтов закупками ссылок
- плотность;
- сила;
- температура плавления;
- Гигроскопичность.
Последний параметр важен, так как наличие влаги в материале значительно снижает удельное сопротивление и при определенных условиях может передавать хорошие диэлектрики на проводящие участки (сухая древесина – влажная древесина).
Диэлектрики, работающие в цепях тока высокой частоты, классифицируются по следующим признакам:
- Диэлектрическая проницаемость;
- Тангенс потерь.
Эти свойства являются основой производства конденсаторов.
Многие уникальные свойства существуют только у диэлектриков, что позволяет создавать на их основе специализированные радиоэлектронные компоненты. Например, эти свойства:
- Пьезоэлектрический;
- ферромагнитный;
- сегнетоэлектрики;
- Термоэлектричество;
- электричество.
Видео: Проводники и диэлектрики. Делимость электрических зарядов | Физика 8 класс #9 | Инфоурок
Основное назначение диэлектрика как изоляционного материала — предотвратить утечку тока и предотвратить несчастные случаи. Эти меры обычно повторяются путем установки заземляющего проводника для передачи нежелательного потенциала на корпусе оборудования на землю.
Полупроводники
Этот тип вещества находится между проводником и диэлектриком. Полупроводники характеризуются сильной зависимостью проводимости от концентрации примесей и, в отличие от проводников, проводимость может иметь разные свойства. Все зависит от того, как атомы примеси вписываются в решетку исходного вещества.
Если в металлах и жидкостях электрический ток обусловлен движением свободных электронов или ионов, то в полупроводниках для освобождения свободных электронов требуется некоторая энергия, так что с повышением температуры проводимость полупроводника увеличивается, а с понижением температуры , Их электропроводность увеличивается. Начинают приобретать свойства диэлектриков. Причиной увеличения сопротивления является отсутствие свободных носителей заряда при низких температурах. Другой характеристикой является наличие «дырочной проводимости». Дырка — это виртуальный положительный заряд, созданный недостатком электронов в атомной оболочке. Это положение может занять электрон из соседней оболочки, и тогда окажется, что на его место перейдет положительный заряд. Формула сопротивления проводника не применима к полупроводниковым материалам.
К наиболее известным полупроводниковым материалам относятся кремний, германий, галлий, индий и селен. В настоящее время используются преимущественно только чистые формы кремния и германия, тогда как во многих областях электронной техники применяются сложные полупроводниковые соединения: арсенид галлия, сульфид цинка и др.
Сверхпроводимость
Некоторые вещества при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, внезапно теряют сопротивление электрическому току. Это сопротивление не только уменьшается, но и вовсе исчезает. При этом длина проводника может иметь абсолютно любое значение, ограниченное лишь объемом охлаждающего сосуда. Открытие этого явления положило начало исследованиям сверхпроводимости и методов ее практического применения. Основным препятствием на пути широкого использования сверхпроводящих материалов является высокая стоимость создания и поддержания криогенных температур в пределах нескольких градусов Кельвина (температуры жидкого гелия).
Результаты показывают, что созданы материалы со свойствами высокотемпературной сверхпроводимости. Температура перехода таких веществ в сверхпроводящее состояние достигает десятков и сотен градусов Кельвина, что позволяет использовать более дешевый сжиженный азот вместо дорогого гелия.
Высокотемпературные сверхпроводники уже широко используются для создания мощных электромагнитов в ускорителях частиц. Создать источник электромагнитного поля из традиционной меди сложно, поскольку большие токи вызывают нагрев обмоток.
Сверхпроводящие материалы не обладают сопротивлением, не подвержены нагревательному воздействию электрического тока и могут коммутировать любую мощность.
Сверхпроводники характеризуются эффектом Мейснера, при котором линии внешнего магнитного поля выталкиваются наружу сверхпроводника без магнитного поля внутри.
Как уже говорилось, не всегда существует четкая граница между проводниками и диэлектриками, поэтому для различных применений назначают пределы проводимости отдельных веществ и материалов с учетом условий применения. Следует помнить, что многие диэлектрики с высоким сопротивлением постоянному току могут вести себя совершенно по-разному при приложении переменного напряжения.
Читайте также статью: Как правильно клеить декоративный гипс, бетон и керамический камень на стены
Комментарии
Отправить комментарий